Kuantum dönüşüm uygulamaları için optik ve mikrodalga sistemlerinde yttrium ıron garnet ile foton-magnon etkileşimi

Abstract

Kuantum bilgi teknolojilerinin küresel ölçekte uygulanabilmesi farklı fiziksel platformların birlikte çalışmasına bağlıdır. Ancak bu entegrasyonun önünde temel bir engel bulunmaktadır. Süperiletken kuantum işlemciler mikrodalga frekanslarında çalışırken, iletişim ağları optik frekansları kullanmaktadır. Bu iki frekans aralığı iletim özellikleri bakımından birbirinden tamamen farklıdır. Mikrodalga sinyalleri iletim sırasında yüksek kayıplara uğrar. Ayrıca oda sıcaklığındaki termal gürültüden ciddi şekilde etkilenirler. Buna karşın optik sinyaller uzun mesafelerde bile bozulmadan iletilebilir. Bu nedenle iki rejim arasında bilgi aktarımı sağlayacak "kuantum dönüşüm" mekanizmaları gereklidir. Bu tez çalışmasında, Yttrium Iron Garnet (YIG) küreleri ve düzlemsel rezonatörler kullanılarak bir dönüşüm sistemi geliştirilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde mikrodalga teorisi, saçılma parametreleri, rezonatör fiziği ve magnon dinamiği gibi temel kavramlar ayrıntılı olarak ele alınmış, Landau–Lifshitz–Gilbert denklemi ve Kittel formülü çerçevesinde YIG malzemesindeki manyetik rezonans mekanizmaları açıklanmıştır. Ardından foton–magnon etkileşimi Hamiltonyen formalizmi kullanılarak modellenmiş ve güçlü etkileşim rejiminin oluşum koşulları tartışılmıştır. Deneysel kısımda, düzlemsel mikrodalga rezonatörler olarak tek halkalı Split Ring Resonator (SRR) yapıları tasarlanmış ve elektromanyetik özellikleri CST Studio Suite yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir. Farklı dielektrik özelliklere sahip Rogers RO5870 ve RO3010 PCB üzerinde çalışan, 5 GHz ve 6 GHz frekanslarında rezonansa sahip SRR tasarımları geliştirilmiştir. Tasarlanan yapılar fotolitografi ve kimyasal aşındırma yöntemleriyle üretilmiş ve Vektör Ağ Analizörü (VNA) kullanılarak karakterize edilmiştir. YIG küreleri ile gerçekleştirilen ölçümlerde, foton–magnon etkileşimine özgü kaçınılan geçiş (avoided crossing) davranışı gözlemlenmiş ve etkileşim parametreleri belirlenmiştir. Son aşamada 1550 nm dalga boyuna sahip ayarlanabilir lazer kaynağı ve yüksek hızlı fotodetektörlerin entegre edildiği hibrit bir deney düzeneği kurularak mikrodalga sinyallerinin optik fotonlara dönüşüm süreçleri detaylıca incelenmiştir. Farklı parametrelerle yürütülen sistematik ölçümler neticesinde optik ve manyetik modlar arasındaki eşleşmenin optimize edilmesiyle en yüksek dönüşüm verimliliğinin 300 mu m çapındaki YIG küresi kullanıldığında elde edildiği tespit edilmiştir. Bu deneysel bulgular geleneksel hacimsel kavitelerin aksine düzlemsel rezonatörlerin sunduğu kompakt geometrik yapı, litografik üretim kolaylığı ve çip üstü entegrasyon potansiyeli gibi kritik avantajları somut bir şekilde ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu tez geliştirilen düzlemsel SRR tabanlı hibrit sistemlerin geleceğin ölçeklenebilir kuantum ağlarında ihtiyaç duyulan yüksek verimli kuantum arayüzleri için güçlü ve uygulanabilir bir alternatif olduğunu deneysel olarak kanıtlamaktadır.The global implementation of quantum information technologies relies on the interoperability of different physical platforms. However, a fundamental obstacle hinders this integration. Superconducting quantum processors operate at microwave frequencies, whereas communication networks utilize optical frequencies. These two frequency ranges exhibit disparate transmission characteristics. Microwave signals experience high attenuation during transmission. Furthermore, they are severely susceptible to thermal noise at room temperature. In contrast, optical signals can be transmitted with negligible degradation even over long distances. Therefore, "quantum transduction" mechanisms to facilitate information transfer between the two regimes are essential. In this thesis, a transduction system has been developed using Yttrium Iron Garnet (YIG) spheres and planar resonators. In the initial section of the study, fundamental concepts such as microwave theory, scattering parameters, resonator physics, and magnon dynamics are comprehensively examined; and magnetic resonance mechanisms within the YIG material are elucidated within the framework of the Landau–Lifshitz–Gilbert equation and the Kittel formula. Subsequently, the photon–magnon interaction is modeled employing the Hamiltonian formalism, and the conditions for the realization of the strong coupling regime are investigated. In the experimental phase, single-ring Split Ring Resonator (SRR) structures were designed as planar microwave resonators, and their electromagnetic properties were simulated via CST Studio Suite software. SRR configurations resonant at 5 GHz and 6 GHz were developed, implemented on Rogers RO5870 and RO3010 substrates characterized by distinct dielectric constants. The designed structures were fabricated employing photolithography and chemical etching techniques and characterized using a Vector Network Analyzer. Measurements conducted with YIG spheres revealed the avoided crossing phenomenon characteristic of photon–magnon interaction, enabling the extraction of coupling parameters. At the final stage, a hybrid experimental setup incorporating a tunable laser source operating at 1550 nm wavelength and high-speed photodetectors was established, and the transduction processes of microwave signals to optical photons were comprehensively examined. As a result of systematic measurements conducted with different parameters, it was determined that the maximal transduction efficiency was obtained when using a 300 µm diameter YIG sphere, by optimizing the coupling between optical and magnetic modes. These experimental findings concretely reveal the critical advantages offered by planar resonators, such as compact geometric structure, ease of lithographic fabrication, and potential for on-chip integration, in contrast to traditional volumetric cavities. Consequently, this thesis experimentally validates that the developed planar SRR-based hybrid systems are a robust and viable alternative for high-efficiency quantum interfaces requisite for future scalable quantum networks.